大型箱式牽引變電所在新制式軌道交通中的應(yīng)用

王尉舟 由恒遠(yuǎn)

（1．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610094；2．青島特銳德電氣股份有限公司，山東 青島 266100）

0 引言

隨著近些年來新制式軌道交通（有軌電車、磁懸浮、山地軌道交通、空軌以及城際快鐵等）行業(yè)的發(fā)展。，很多新制式軌道交通項(xiàng)目采用中壓35 kV、直流1 500 V 牽引的供電制式。由于新制式軌道交通與傳統(tǒng)地鐵項(xiàng)目之間的差異很大，新制式軌道交通變電站一般設(shè)置在地面或地上，往往不具備傳統(tǒng)地鐵項(xiàng)目變電所的土建條件。即使采用常規(guī)的土建式牽引變電站，也一直存在造價(jià)高、選址難、建設(shè)周期長以及維護(hù)接口復(fù)雜等問題[1]，如何解決牽引變電所建站和選址的問題成為新制式軌道交通項(xiàng)目供電系統(tǒng)專業(yè)面臨的一個(gè)重大技術(shù)難題。箱式變電站的應(yīng)用可以較大程度地解決牽引變電所建站和選址的問題，箱式結(jié)構(gòu)變電站由于具有集成度高、占地面積小、土建工程少等優(yōu)勢，因此將會成為新制式軌道交通牽引供電的主流選擇，該文通過對大型牽引變電所的箱式方案的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案的闡述，為新制式軌道交通項(xiàng)目供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 大型箱式牽引變電所方案說明

在大型城市軌道交通項(xiàng)目中，例如某市域軌道交通項(xiàng)目的主要設(shè)備為35 kV 開關(guān)柜、2 套整流機(jī)組（3 000 kVA整流變壓器+整流器）、直流開關(guān)柜、上網(wǎng)開關(guān)柜、交直流屏系統(tǒng)、排流柜、鋼軌電位限制裝置以及再生制動設(shè)備。為了節(jié)約箱體空間，配電變壓器放置在車站負(fù)荷中心，箱式牽引所內(nèi)變壓器容量應(yīng)滿足箱式牽引所負(fù)荷需求。

對于一次方案，35 kV 開關(guān)柜通常采用GIS 充氣柜，主流35 kV GIS 充氣柜一般為分相式結(jié)構(gòu)和共箱式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)缺點(diǎn)如下。

分相式結(jié)構(gòu)包括以下3 個(gè)特點(diǎn)。1） 開關(guān)柜采用分相結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生相間短路，供電連續(xù)性能較優(yōu)。2）電流互感器外置，不需承受動熱穩(wěn)定影響。3）缺點(diǎn)是占地空間較大，需要補(bǔ)氣空間，安裝結(jié)構(gòu)只有內(nèi)錐直插結(jié)構(gòu)。

共箱式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)包括以下4 點(diǎn)：1）產(chǎn)品體積較小，比較適用于戶外箱式變電站內(nèi)部空間布置要求。2）產(chǎn)品并柜采用內(nèi)錐母線插拔技術(shù)，產(chǎn)品現(xiàn)場安裝無需進(jìn)行現(xiàn)場充氣。3）對外一次電纜接線方式可采用外錐配肘型頭，安裝更加方便。4） 缺點(diǎn)是互感器內(nèi)置帶來的安全隱患。

筆者推薦采用共箱式結(jié)構(gòu)的35 kV GIS 時(shí)將35 kV 電壓互感器單獨(dú)成柜，避免因35 kV 電壓互感器燒毀導(dǎo)致整個(gè)氣室的破壞和故障范圍的擴(kuò)大。

傳統(tǒng)軌道交通項(xiàng)目是以整流機(jī)組作為核心的牽引供電設(shè)備。隨著我國對低碳節(jié)能的要求愈發(fā)嚴(yán)格，全國各地項(xiàng)目逐漸開始推廣再生制動成套設(shè)備，其可以在機(jī)車制動時(shí)進(jìn)行能量回收。

近些年來雙向變流器裝置應(yīng)運(yùn)而生。雙向變流裝置同時(shí)具有整流和逆變功能，可根據(jù)系統(tǒng)牽引能量流動情況自主選擇整流及逆變工況。其優(yōu)勢包括以下3 條：1）采用雙向變流裝置可以省掉再生制動裝置，節(jié)約生產(chǎn)用房規(guī)模。2）雙向變流裝置損耗小，諧波含量小。3）采用雙向變流裝置可使系統(tǒng)能量得到充分應(yīng)用。但目前雙向變流器裝置僅處于實(shí)驗(yàn)階段，并未投入實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)營，缺乏實(shí)際項(xiàng)目論證。雙向變流器裝置高額的成本使其難以在具體項(xiàng)目中得以應(yīng)用。

該文推出的方案在應(yīng)用最為廣泛的“雙整流機(jī)組+再生制動成套設(shè)備”的基礎(chǔ)上完成。具體項(xiàng)目可根據(jù)設(shè)備的增減或變化在該方案基礎(chǔ)上修改后應(yīng)用。

1.1 箱式變電站整體布置方案說明

大型箱式牽引變電所的方案最早應(yīng)用于重慶跳蹬線—江津段項(xiàng)目中。項(xiàng)目現(xiàn)場的2 個(gè)橋墩之間的凈空間距離為32 m，箱變的2 個(gè)預(yù)制艙拼接后長度為29 m，剛好留下開門空間。在該極端狹小的空間中，箱式變電站的集成優(yōu)勢體現(xiàn)的非常明顯。

重慶跳蹬線—江津段項(xiàng)目中采用的是2 個(gè)預(yù)制艙的箱式牽引變電所方案。將整流變壓器、所用變壓器、交直流成套裝置和35 kV 設(shè)備放置在其中1 個(gè)預(yù)制艙內(nèi)。將直流設(shè)備及再生制動設(shè)備放置在另1 個(gè)預(yù)制艙內(nèi)。

經(jīng)過對重慶跳蹬線—江津段項(xiàng)目的實(shí)踐總結(jié)，筆者認(rèn)為，2 個(gè)預(yù)制艙的箱式牽引變電所方案尚存在以下3 個(gè)問題。1） 變壓器集中在其中1 個(gè)預(yù)制艙內(nèi)造成荷載不均，2 臺整流變壓器集中在較長的箱體的一端，造成預(yù)制艙一端荷載遠(yuǎn)大于另外一端，使得箱體在運(yùn)輸和吊裝過程中難度加大。2）2 個(gè)預(yù)制艙的箱式牽引變電所方案設(shè)備間接線不能做到方案最優(yōu)，某些設(shè)備線纜長度較大。3）2臺整流變壓器和2 臺所用變壓器集中在1 個(gè)預(yù)制艙內(nèi)導(dǎo)致環(huán)控壓力較大。

經(jīng)過后期對箱式牽引所結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，筆者設(shè)計(jì)了3 個(gè)預(yù)制艙的箱式牽引所方案，如圖1～圖3 所示，并將該方案應(yīng)用于彭白鐵路改建工程項(xiàng)目中。

圖1 箱體1 平面布置示意圖

3 個(gè)預(yù)制艙的箱式牽引所方案可根據(jù)場坪條件進(jìn)行排布。如果場坪寬度較窄，可以按照箱體1、箱體2、箱體3的順序從左到右一字排列布置。也可以分2 排布置，第1排從左至右按照箱體2、箱體1 的順序排布，箱體3 為第2 排，中間設(shè)置1.5 m～2 m 的檢修通道。

該方案具有7 點(diǎn)優(yōu)勢：1） 各預(yù)制艙內(nèi)荷載相對一致，便于運(yùn)輸和吊裝。2） 各預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備功能統(tǒng)一。3） 將變壓器和發(fā)熱量大的設(shè)備集中設(shè)置，減少箱變環(huán)控的難度。4）充分考慮到箱體間、箱體內(nèi)部設(shè)備接線關(guān)系，讓有接線關(guān)系的設(shè)備臨近，最大程度地節(jié)約電纜，保證供電可靠性。5） 全站可打開前后門檢修，方便安裝維護(hù)。每個(gè)預(yù)制艙設(shè)置2 個(gè)以上的檢修門，設(shè)置應(yīng)急逃生鎖，預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置貫通的檢修巡視通道。保證檢修維護(hù)設(shè)施安全方便，尤其是利于危險(xiǎn)時(shí)逃生。6） 整流變壓器是產(chǎn)生故障后對其他設(shè)備影響最大的元件，因此該項(xiàng)目設(shè)置獨(dú)立的變壓器間隔，使其完全獨(dú)立，防止事故擴(kuò)大，安全可靠。7） 在現(xiàn)場環(huán)境場地允許的情況下，可以在預(yù)制艙主體兩側(cè)設(shè)置1.5 m 的檢修通道，該措施相當(dāng)于土建變電站結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全部箱變內(nèi)維護(hù)檢修。

1.2 箱式變電站內(nèi)火災(zāi)監(jiān)控和消防系統(tǒng)說明

箱式變電站為無人值守變電站，根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB 50229—2019[2]中規(guī)定：屋外配電裝置區(qū)域布置露天的電氣以及設(shè)備支架和構(gòu)架，不屬于一般的建筑物，現(xiàn)在的電氣設(shè)備一般是無油或少油電氣設(shè)備，設(shè)備支架和構(gòu)架較多為鋼結(jié)構(gòu)，不必按建筑的耐火等級規(guī)定構(gòu)架和支架的耐火要求。因此不再規(guī)定屋外配電裝置區(qū)域耐火等級要求。

箱變內(nèi)不設(shè)置消防設(shè)施，設(shè)置火災(zāi)監(jiān)控，通常設(shè)置感煙器等?；馂?zāi)監(jiān)控設(shè)備信號可以同時(shí)上傳至綜合監(jiān)控FAS系統(tǒng)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 箱式變電站環(huán)控設(shè)計(jì)

對于大容量的變壓器的發(fā)熱量的控制需要針對現(xiàn)場環(huán)境做充分的設(shè)計(jì)。變壓器室采用強(qiáng)制風(fēng)冷來實(shí)現(xiàn)，參照《箱式一體化光伏逆變站的通風(fēng)散熱研究》[2]對風(fēng)機(jī)和風(fēng)口等條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了保證在通風(fēng)窗有灰塵的情況下依然能保證足夠的散熱量，散熱設(shè)計(jì)通常按2 倍以上的散熱效果考慮。

以《有軌電車箱式牽引變電站的方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化》[3]中對微正壓的描述作為參考，箱變內(nèi)非變壓器部分均考慮使用微正壓空調(diào)來對環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化控制。由于系統(tǒng)容量較大，在發(fā)熱量大的設(shè)備頂部應(yīng)酌情考慮設(shè)置風(fēng)道接入來加強(qiáng)降溫功能，增加設(shè)備運(yùn)行壽命。

1.4 箱式變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)說明

近些年來，在由電力系統(tǒng)推行、鐵路行業(yè)大力推廣以及城市軌道交通行業(yè)逐步全面應(yīng)用的背景下，由于箱式變電站對無人化要求更高，因此，箱式牽引變電所應(yīng)采用輔助監(jiān)控系統(tǒng)。輔助監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下。

1.4.1 視頻監(jiān)控及巡檢信息

采集實(shí)時(shí)視頻流數(shù)據(jù)、巡檢照片、語音對話、自檢信息和告警信息等。

1.4.2 安全防范信息

采集所內(nèi)門禁、紅外雙鑒/三鑒、激光對射、玻璃破碎等告警信息和自檢信息等。

1.4.3 火災(zāi)報(bào)警信息

采集火災(zāi)處理單元的現(xiàn)場探測信息、設(shè)備自檢信息等。

1.4.4 環(huán)境監(jiān)控信息

采集溫、濕度傳感器、水浸傳感器、SF6 監(jiān)測傳感器、空調(diào)等設(shè)備運(yùn)行信息、告警信息及自檢信息。

除此之外，輔助監(jiān)控系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)如變壓器等設(shè)備的在線監(jiān)測功能，例如變壓器光纖測溫、鐵芯接地、開關(guān)柜的絕緣監(jiān)測等功能。輔助監(jiān)控系統(tǒng)由設(shè)置在箱式變電所內(nèi)的輔助監(jiān)控屏作為站級主機(jī)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳至控制中心線路級主站。

2 箱式變電所在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用前景

鐵路行業(yè)的箱式變電所應(yīng)用主要應(yīng)用于規(guī)模較小的降壓配電變電所、分區(qū)所，鐵路行業(yè)非常成熟，箱式變電所的應(yīng)用范圍有限且固定。

圖2 箱體2 平面布置示意圖

圖3 箱體3 平面布置示意圖

在地鐵行業(yè)中，變電所往往與車站或生產(chǎn)用房合建，箱式變電所極少應(yīng)用。在一些地鐵改造項(xiàng)目中，在沒有土建條件的情況下，可應(yīng)用箱式變電站。但地鐵行業(yè)中的箱式變電站的基本應(yīng)用僅局限于跟隨式降壓變電所，而在牽引所中極少應(yīng)用。

在新制式軌道交通行業(yè)中，車站往往規(guī)模很小，牽引變電所往往需要單獨(dú)考慮土建條件的因素。特別在一些城際快速軌道交通項(xiàng)目中，由于項(xiàng)目站間距大，因此還需要在空間較大的區(qū)間選址設(shè)置區(qū)間牽引變電所。

在空軌、有軌電車項(xiàng)目中，基本采用直流750 V 單機(jī)組牽引供電制式，由于設(shè)備數(shù)量和體積不大，因此該類項(xiàng)目能夠做到箱式變電站全覆蓋。在一些新制式軌道交通項(xiàng)目，例如城際快速軌道交通項(xiàng)目中，采用直流1 500V 雙機(jī)組牽引供電制式，由于設(shè)備數(shù)量較多，體積較大，該類項(xiàng)目往往采用土建式變電所，涉及專業(yè)眾多，接口復(fù)雜且投資較大，現(xiàn)場實(shí)施緩慢，極易出現(xiàn)差錯。

大型箱式牽引變電所方案的推出將很好地解決該類問題。箱式變電站具有“8 防2 抗”性能（防雨、防凝露、防滲漏、防腐蝕、防塵、防鹽霧、防小動物、防盜、抗沖擊和抗震），不需要使用生產(chǎn)用房，可直接采用戶外布置。箱式變電站內(nèi)部設(shè)備采用緊湊式的布置方式，在工廠完成箱體組裝、設(shè)備安裝、接線、試驗(yàn)以及調(diào)試等工作，箱體連同設(shè)備整體運(yùn)至現(xiàn)場安裝后即可開通送電功能。箱式變電所相較于傳統(tǒng)土建變電所來說，占地更小、工程實(shí)施更快、投資更加經(jīng)濟(jì)，因此在該類項(xiàng)目中的應(yīng)用前景極好。

3 結(jié)語

隨著近些年來新制式軌道交通項(xiàng)目在全國各地的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)土建牽引變電所愈發(fā)難以滿足行業(yè)技術(shù)發(fā)展、項(xiàng)目工期及成本的要求。該文對應(yīng)用于新制式軌道交通項(xiàng)目的大型箱式牽引變電所的方案進(jìn)行了闡述，并對大型箱式牽引變電所在新制式軌道交通項(xiàng)目中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。